Dowiedz się więcej o kompozytach z włókien aramidowych, w tym o odporności na uderzenia, lekkości, sztywności, odporności na ścieranie oraz kluczowych zastosowaniach wojskowych i przemysłowych.
Włókno aramidowe, znane również jako „poli(p-fenylenotereftalamid)”, ma doskonałe właściwości, takie jak bardzo wysoka wytrzymałość, wysoki moduł, odporność na wysoką temperaturę, odporność na kwasy i zasady oraz niewielka waga. Włókno aramidowe zostało z powodzeniem opracowane i wprowadzone na rynek w latach 60. XX wieku przez firmę DuPont (pod nazwą handlową Kevlar) i dlatego przed pojawieniem się włókna węglowego włókno aramidowe dominowało na rynku włókien wysokowydajnych.
1. Krótka historia rozwoju włókien aramidowych
W latach 60. XX wieku firma DuPont była pierwszą firmą na świecie, która wprowadziła i wyprodukowała włókno aramidowe pod zarejestrowaną marką Kevlar. Włókno aramidowe jest sprzedawane na rynku od 1973 roku. Aramid odkryła urodzona w Polsce chemiczka Stephanie Kwolek, która prowadziła badania w nadziei znalezienia lekkiego, wyjątkowo wytrzymałego materiału, który zastąpi nylon w produkcji opon.
Wynalazczyni włókna kevlarowego – urodzona w Polsce chemiczka Stephanie Kwolek
Obecnie najbardziej znanym materiałem kompozytowym aramidowym jest włókno kevlarowe firmy DuPont. Z biegiem czasu aramid dostarczali także inni dostawcy pod różnymi nazwami handlowymi, w tym: Nomex firmy DuPont, Twaron i Technora firmy Teijin z Japonii, Arawin firmy Toray z Korei Południowej, Kolon firmy Heracron z Korei Południowej oraz niektóre produkty firm chińskich.
Dlatego każdy materiał nazywany Kevlarem, Twaronem lub Nomexem w rzeczywistości odnosi się do aramidu, który ma specjalne właściwości, w tym doskonałą odporność na uderzenia i ścieranie, odporność na wysoką temperaturę i niską wagę. Ze względu na te cechy materiał ten jest często stosowany w wojsku, lotnictwie, sportach wodnych i motorowych, a także w produkcji opon, odzieży, rękawic ochronnych i wielu innych zastosowaniach.
Rękawice ochronne wykonane z materiału z włókien aramidowych
2.1 Wysoka odporność na uderzenia i pęknięcia
Włókno aramidowe charakteryzuje się doskonałą odpornością na uderzenia i nie pęka pod naciskiem dzięki swojej wytrzymałości i zdolności do pochłaniania dużej ilości energii. Jest szeroko stosowany w produkcji kamizelek kuloodpornych, łodzi, kajaków i opancerzenia elementów pojazdów wojskowych. Odporność na uderzenia kompozytów z włókien aramidowych jest pięciokrotnie większa niż w przypadku kompozytów z włókna węglowego (testowana metodą uderzenia metodą kropli). Ta niezwykła odporność na uderzenia lub kuloodporność wynika z długich łańcuchów atomowych tworzących strukturę aramidową.
Biorąc pod uwagę doskonałą odporność na uderzenia, włókna aramidowe są szeroko stosowane w zastosowaniach wojskowych do produkcji kamizelek kuloodpornych i materiałów na opancerzenie czołgów. Kamizelki kuloodporne są zazwyczaj wykonane z materiału składającego się z kilkudziesięciu warstw aramidu (np. Kevlaru), z płytką ceramiczną umieszczoną pomiędzy dwiema warstwami. Osłony ochronne stosowane w niektórych pojazdach opancerzonych wykonane są z materiału stalowo-aramidowo-stalowego, który jest w stanie wytrzymać pociski przeciwpancerne o średnicy do 700 mm.
Włókna aramidowe są szeroko stosowane w kamizelkach kuloodpornych.
Co więcej, oprócz ochrony samego czołgu, tarcza stalowo-aramidowo-stalowa chroni także załogę, pochłaniając energię kinetyczną generowaną przez pociski penetrujące. Innym zastosowaniem kevlaru jest Boeing AH-64, amerykański wojskowy helikopter szturmowy wyposażony w kevlarowe łopaty wirnika. Tutaj Kevlar zapewnia ochronę przed pociskami o średnicy do 23 mm.
Włókna aramidowe zapewniają kuloodporną ochronę helikopterów.
Ze względu na dużą odporność na uderzenia, Kevlar jest szeroko stosowany w budowie łodzi i kajaków, np. kadłubów jachtów przeznaczonych na regaty Volvo Ocean Race, będące jednym z najbardziej wymagających wyzwań sportowych. Większość kajaków o wysokich osiągach do uprawiania sportów wodnych jest wykonana z włókien aramidowych lub materiałów kompozytowych włókno węglowe/włókno aramidowe.
Włókna aramidowe chronią kajaki przed uszkodzeniami.
2.2 Niska gęstość/niska waga
Włókna aramidowe charakteryzują się wyjątkowo niską wagą, co jest zaletą przy wytwarzaniu materiałów kompozytowych. Chociaż same kompozyty z włókna węglowego są uważane za bardzo lekkie, kompozyty z włókna aramidowego są o około 20% lżejsze niż kompozyty z włókna węglowego. Zastosowanie tkaniny aramidowej w materiałach kompozytowych zwiększa odporność na uderzenia i zużycie oraz zmniejsza wagę elementów kompozytowych.
Gęstość włókna aramidowego wynosi około 1,45 g/cm3, natomiast gęstość materiału kompozytowego aramidowo-epoksydowego wynosi około 1,3 g/cm3. Obliczenia te opierają się na mieszanej gęstości żywicy epoksydowej i utwardzacza (~1,1 g/cm3) oraz zaawansowanej technologii stosowanej przy produkcji materiałów kompozytowych, a mianowicie prepregu w autoklawie. Podczas gdy kompozyty z włókna węglowego, ogólnie uważane za bardzo lekkie, mają gęstość około 1,55 g/cm3, kompozyty z włókna aramidowego są o 20% lżejsze.
Jak wypada masa kompozytów z włókien aramidowych w porównaniu do metali? Aluminium wynosi 2,7 g/cm3, tytan 4,5 g/cm3, a stal 7,9 g/cm3. Dlatego kompozyty z włókien aramidowych są dwukrotnie lżejsze od aluminium, trzy do czterech razy lżejsze od tytanu i sześciokrotnie lżejsze od stali.
2.3 Umiarkowana sztywność pomiędzy włóknem szklanym a włóknem węglowym
Kompozyty z włókna aramidowego mają wyższą sztywność niż kompozyty z włókna szklanego, ale są znacznie niższe niż kompozyty z włókna węglowego. Podobnie jak włókna węglowe, włókna aramidowe występują w wielu typach, w tym włókna standardowe, o średnim i wysokim module, które oferują różną sztywność i wytrzymałość.
Poniżej przedstawiono sztywność różnych typów włókien:
Tkanina z włókna szklanego – od 72 GPa (standardowe szkło E) do 87 GPa (tkanina szklana wzmocniona S);
Tkanina z włókna węglowego – od 230 GPa (Toray T300) do 588 GPa (Toray HM gatunek M60J);
Tkanina z włókien aramidowych – od 96 GPa (standardowy aramid, czyli Kevlar 129) do 186 GPa (aramid stosowany w przemyśle lotniczym, czyli Kevlar 149).
Podsumowując, kompozyty aramidowe wykonane ze standardowych tkanin mają o 30-40% większą sztywność niż kompozyty z włókna szklanego, ale są o 50% niższe w porównaniu do kompozytów z włókna węglowego.
2.4 Odporność na ścieranie
Kompozyty z włókien aramidowych są szeroko stosowane w elementach podatnych na zużycie, takich jak płyty podwozia chroniące silniki samochodów wyścigowych. Aramid jest powszechnie stosowany w przemyśle wydobywczym (np. górnictwie) do wzmacniania gumowych taśm przenośnikowych, zapewniając wyższą wytrzymałość i odporność na ścieranie. Według producenta kevlaru wzmocnienie to może zwiększyć odporność na ścieranie o 50-70%. Dzięki tym właściwościom materiał może być stosowany w kompozytach, a także w odzieży roboczej, takiej jak odporne na przecięcie rękawice ochronne z wykorzystaniem tkanin aramidowych, takich jak Twaron czy Kevlar. 2,5 Niska stała dielektryczna
Kompozyty z włókien aramidowych mają niską stałą dielektryczną wynoszącą około 3,85 (przy 10 GHz), co zapewnia dobrą penetrację sygnału i wytrzymałość przez aramidową osłonę ochronną/osłonę ochronną. Ten typ anteny jest szeroko stosowany do celów wojskowych, np. w samolotach wojskowych.
Włókna aramidowe stosowane w radiodomonach wojskowych
Obudowy/radomy z kompozytu włókien aramidowych chronią anteny przed uszkodzeniem i zapewniają dobrą jakość sygnału. Natomiast kompozyty z włókna szklanego E oferują stałą dielektryczną 6,1 (przy 10 GHz), co skutkuje 60% redukcją mocy i wydajności sygnału anteny. Oprócz aramidu stosuje się również włókno kwarcowe o stałej dielektrycznej 3,78 (przy 10 GHz).
2.6 Inne cechy
Włókna aramidowe charakteryzują się niską rozszerzalnością cieplną, są bardzo stabilne w wysokich temperaturach, mają prawie zerową rozszerzalność cieplną i nieznacznie ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej, równy (-2,4 x 10⁻⁶ /°C). Włókna aramidowe są doskonałymi izolatorami i nie przewodzą prądu.
Specjalna właściwość kompozytów z włókien aramidowych związana jest z pochłanianiem drgań, dzięki czemu nadają się one do produkcji elementów odpornych na wibracje, takich jak elementy konstrukcyjne samolotów.
2.7 Mieszane kompozyty z innymi tkaninami
Tkaniny z włókien aramidowych można parametrycznie dostosowywać w zależności od potrzeb do stosowania w kompozytach z włókna węglowego i kompozytów z włókna szklanego, zapewniając dostawcom produktów kompozytowych szeroki zakres możliwości.
W przypadku kompozytów z włókna węglowego odporność na uderzenia można poprawić poprzez dodanie kilku warstw tkaniny z włókna aramidowego. Kompozyty hybrydowe składające się w 50% z włókna węglowego i w 50% z włókna aramidowego wykazują aż o 25% poprawę udarności w porównaniu do kompozytów wykonanych wyłącznie z włókna węglowego.
Tkanina hybrydowa z włókna aramidowego i włókna węglowego
